淺議礦用P2030KP型一氧化碳傳感器量程改造

【摘要】本文闡述了礦用P2030KP型一氧化碳傳感器的量程改造方法，在不購置大量程一氧化碳傳感器的前提下，通過電子線路的改造，解決了該型傳感器在金鳳煤礦井下巷道中一氧化碳高濃度地點無法實施監(jiān)測的問題，提升了安全監(jiān)控系統(tǒng)整體的可靠性和監(jiān)控精度，具有很強的經(jīng)濟性和安全性。

【關(guān)鍵詞】礦井;一氧化碳傳感器;量程改造

Abstract：This paper describes the scale transformation method of mining P2030KP type carbon monoxide sensors，without the purchase of a large range of carbon monoxide sensor premise，through the transformation of electronic circuits to solve this type of sensor in the Jinfeng underground mine roadway in high concentrations of carbon monoxide monitoring sites can not be implemented the problem，to enhance the overall reliability of the safety monitoring system and monitoring precision，has a strong economy and safety.

Key words：Mine;carbon monoxide sensors;scale transformation

1.引言

礦用傳感器是煤礦安全監(jiān)控系統(tǒng)的“耳目”，用于監(jiān)測煤礦環(huán)境參數(shù)與生產(chǎn)過程參數(shù)，完成信息的獲取和轉(zhuǎn)換功能。一氧化碳濃度的高低是煤礦是否發(fā)生自燃火災(zāi)的重要標(biāo)志之一，是導(dǎo)致人員中毒死亡而引起重大傷亡事故的重要因素。煤礦安全規(guī)程明確要求，在大巷、回風(fēng)巷、采煤工作面、掘進工作面、采空區(qū)等其中一些地點需要對一氧化碳氣體濃度進行實時監(jiān)測，并在氣體濃度達到或者超過預(yù)設(shè)定危險值時進行報警。一氧化碳傳感器的性能好壞直接影響著安全監(jiān)控系統(tǒng)的監(jiān)控精度[1]，該傳感器一旦監(jiān)控失效，后果將是災(zāi)難性的。

2.P2030KP型一氧化碳傳感器

2.1 性能簡介

煤礦常用的一氧化碳傳感器有電化學(xué)式、催化型可燃氣體式、紅外吸收式等，現(xiàn)在廣泛使用的是電化學(xué)式的一氧化碳傳感器。[2]P2030KP型本質(zhì)安全型一氧化碳傳感器就屬于電化學(xué)式一氧化碳傳感器，該傳感頭采用電化學(xué)式感應(yīng)元件。在金鳳煤礦KJ31N（S800）安全監(jiān)控系統(tǒng)中用于煤礦井下巷道、采掘工作面或機電硐室環(huán)境中的一氧化碳含量檢測，并把檢測的數(shù)值送至井上中心站進行數(shù)據(jù)處理，使管理人員隨時掌握井下一氧化碳氣體濃度，以保證煤礦井下的安全生產(chǎn)。

2.2 結(jié)構(gòu)組成

P2030KP型本質(zhì)安全型一氧化碳傳感器系統(tǒng)的組成如框圖1所示。該系統(tǒng)以ATMEL單片機為核心，硬件電路由顯示電路、聲光報警電路、信號放大電路、A/D轉(zhuǎn)換電路、紅外接收電路、頻率輸出電路等組成，實現(xiàn)了一氧化碳濃度的數(shù)字化、智能化監(jiān)測。

圖1 P2030KP型本質(zhì)安全型一氧化碳傳感器系統(tǒng)組成框圖

2.3 主要技術(shù)指標(biāo)

（1）工作電壓：DC 18V;

（2）工作電流：≤35mA;

（3）測量范圍：0～100 ppm;

（4）環(huán)境溫度：0～40℃;

（5）相對濕度：≤98%;

（6）大氣壓力：80～116 Kpa;

（7）風(fēng)速：不大于8m/s;

（8）機械環(huán)境：煤礦井下有爆炸性混合物，但無破壞絕緣的腐蝕性氣體場所;

（9）防爆形式：礦用本質(zhì)安全型;

（10）防爆標(biāo)志：ExibI

（11）誤差范圍：（0～20）ppm±2ppm;>（20～100）ppm±4 ppm。

（12）信號最大傳輸距離：2km。

2.4 工作原理

電化學(xué)一氧化碳傳感器是一種微燃料電池元件，對檢測氣體以恒定電位作電化學(xué)性氧化還原反應(yīng)，通過測定電場電流獲得氣體濃度的信息。它的工作原理是利用工作電極與對電極組成電極對，當(dāng)這對電極浸入電解液中，在電極間加上電壓會產(chǎn)生極化，若工作電極為正，對電極為負，則電解液中的負離子移向工作電極，正離子移向?qū)﹄姌O，此時被測氣體擴散到工作電極上，在催化劑作用下產(chǎn)生電化學(xué)反應(yīng)釋放出電荷，使工作電極與對電極的電位發(fā)生變化，產(chǎn)生電流[3]。

一氧化碳傳感器的電極上發(fā)生的反應(yīng)是：

工作電極（陽極）：CO+H2O→CO2+2H++2e-

對電極（陰極）： ?02+2H++2e-→H20

電流的大小與電極電位和氣體濃度等因素有關(guān)，當(dāng)電極電位一定時，反應(yīng)電流與氣體濃度和擴散系數(shù)成正比，與擴散電極厚度成反比。

I=nFADC/ε

式中參數(shù)：

I-反應(yīng)電流;

n-反應(yīng)中1摩爾氣體釋放的電子數(shù);

F-法拉第常數(shù);

A-反應(yīng)界面面積;

D-氣體擴散系數(shù);

C-氣體常數(shù);

ε-氣體擴散電極厚度

P2030KP型傳感器采用氧化電池型電化學(xué)傳感元件作為一氧化碳的檢測元件。它產(chǎn)生一個與一氧化碳的含量成比例的微弱電流信號，經(jīng)過第一級放大電路放大后產(chǎn)生一個反向輸出電壓信號，當(dāng)測量值為零時，輸出1.125V;當(dāng)測量值為滿量程時輸出0.725V。

第一級輸出信號經(jīng)第二級放大送至模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路。這樣，當(dāng)中心站計算機向本傳感器的單片機發(fā)出咨詢指令時，該單片機模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸出的數(shù)字量以22比特串行碼的通訊方式送入森透里昂計算機系統(tǒng)。單片機將由模/數(shù)轉(zhuǎn)換電路輸出的數(shù)字量與單片機輸出的門限比較，以完成控制量輸出和故障指示。

3.P2030KP型一氧化碳傳感器量程轉(zhuǎn)換

金鳳煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)現(xiàn)用的P2030KP型一氧化碳傳感器量程為0～100PPM。由于礦井輔助運輸系統(tǒng)采使用無軌膠輪車，而汽車尾氣中一氧化碳含量大，當(dāng)一氧化碳濃度超過100ppm時，量程為100ppm的傳感器就無法真實的反應(yīng)該被測地點實時一氧化碳濃度，此時就需用到大量程一氧化碳傳感器。顯然現(xiàn)用一氧化碳傳感器無法滿足這一需求，而重新購置大量程傳感器需要巨大的經(jīng)濟投入（傳感器單價15000元/臺，目前全礦井安裝該型傳感器共計38臺），所以需要對現(xiàn)用一氧化碳傳感器電子電路進行改造從而達到提高傳感器量程的目的。

圖2 P2030KP型本質(zhì)安全型一氧化碳傳感器電路板

圖3 第一級放大電路

一氧化碳傳感器的量程主要由內(nèi)部電路板上的放大電路決定，經(jīng)過北京康斯培克環(huán)保系統(tǒng)設(shè)備有限公司的授權(quán)，嘗試通過改變第一級放大電路中的電阻大小來改變傳感器量程的大小。首先對硬件電路板進行改造，圖2為P2030KP型一氧化碳傳感器內(nèi)部電路板。電路板上第一級放大電路中的三個電阻，自上而下電阻大小分別為50Ω、500Ω和100Ω，如圖3所示。量程為100ppm的傳感器出廠時接入電阻為100Ω的電阻，500Ω電阻未接入使用。在更改放大電路的過程中將連接100Ω電阻的線路切斷，然后使用電烙鐵將500Ω電阻與電路板相連接，如圖4所示，這樣硬件方面就改造完畢了。

圖4 第一級放大電路改造

圖5 S800軟件中更改量程前一氧化碳傳感器參數(shù)

在將電路板中放大電路改造完畢后，需要在S800軟件中對傳感器量程進行重新寫入，將改造完成后的傳感器接入系統(tǒng)后，打開傳感器參數(shù)設(shè)置界面，在未設(shè)置之前依舊顯示量程為0～100ppm。圖5為更改量程前一氧化碳傳感器參數(shù)。

更改軟件參數(shù)時，將量程上限手動更改為500ppm，然后點擊更新，保存后退出，這樣一個量程為0～100ppm的一氧化碳傳感器就改造為量程為0～500ppm的傳感器，如圖6所示。

圖6 S800軟件中更改量程后一氧化碳傳感器參數(shù)

經(jīng)過量程改造后的一氧化碳傳感器所有主要技術(shù)參數(shù)保持不變，且符合“AQ6205-2006 煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器”的要求，在井下運行工作良好。

4.結(jié)論

煤礦安全監(jiān)測系統(tǒng)是煤炭高產(chǎn)、高效、安全生產(chǎn)的重要保證。傳感器的穩(wěn)定性和可靠性是煤礦監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)能正確反映被測環(huán)境和設(shè)備參數(shù)的關(guān)鍵技術(shù)。其中一氧化碳傳感器能否正常、穩(wěn)定的工作是衡量監(jiān)測系統(tǒng)是否可靠的一個重要標(biāo)準(zhǔn)，對于減少事故發(fā)生，有效地保障煤礦安全生產(chǎn)和礦工生命安全也具有重要意義。通過對P2030KP型一氧化碳傳感器放大電路的簡易改造，很好地解決了該型傳感器在金鳳煤礦井下巷道中一氧化碳高濃度地點無法實施監(jiān)測的問題，具有很強的可操作性和經(jīng)濟性，同時也值得在神華寧煤集團其他兄弟礦井推廣借鑒。

參考文獻

[1]陳光海，姚向榮.煤礦安全監(jiān)測監(jiān)控技術(shù).煤炭工業(yè)出版社，2007.12.

[2]黃喜貴.通風(fēng)安全監(jiān)測工.煤炭工業(yè)出版社，2004.

[3]孫繼平.煤礦安全生產(chǎn)綜合監(jiān)控.中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2008.7.

[4]樊榮、余慶等.AQ6205-2006煤礦用電化學(xué)式一氧化碳傳感器[S].煤炭工業(yè)出版社，2007.

[5]P2030KP本質(zhì)安全型一氧化碳傳感器使用說明書.

作者簡介：李龍（1985—），男，大學(xué)本科，畢業(yè)于寧夏大學(xué)電子信息工程專業(yè)，助理工程師，主要從事煤礦信息化與安全監(jiān)測監(jiān)控系統(tǒng)技術(shù)管理工作。